劉霞嬌,段亞峰,葉瑩瑩,肖霜霜,張 偉,王克林,*

1 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)沙 410125 2 中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站, 環(huán)江 547100 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 4 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 長(zhǎng)沙 410125 5 長(zhǎng)沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站, 長(zhǎng)沙 410001

DOM淋失與人類(lèi)干擾密切相關(guān),且受到多種環(huán)境因素的影響。Meek等研究表明,耕作會(huì)增加土壤養(yǎng)分的淋失[7]。不合理的耕作會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破碎,加快有機(jī)質(zhì)活性組分氧化和礦化,致使土壤養(yǎng)分大量丟失[8]。而適當(dāng)?shù)母鞔胧┯欣谕寥浪峙c養(yǎng)分的保持,同時(shí)減少地下水污染風(fēng)險(xiǎn)[9]。DOM淋失具有顯著的季節(jié)性特征,且DOC與DON的淋失特征不盡相同。Kaiser等發(fā)現(xiàn),土壤DOC淋失量在夏季最大,在短暫的干旱后的降雨期間達(dá)到最大值[1],而DON在冬季淋溶量明顯小于夏季[10],降雨或灌溉及其頻率是導(dǎo)致農(nóng)田 DON 滲漏的最大驅(qū)動(dòng)力[5]。DOM的淋失還與其自身組分與結(jié)構(gòu)有關(guān),有研究表明DOC吸附過(guò)程中,難分解組分易于受到吸附保護(hù),而親水性化合物、簡(jiǎn)單小分子化合物不容易被吸附,且吸附后的生物穩(wěn)定性差,還易出現(xiàn)解吸或被疏水性化合物替代吸附的現(xiàn)象[11]。Kaiser等發(fā)現(xiàn),土壤DOC夏季淋失多為親水化合物和小分子物質(zhì),而秋季多疏水性化合物[12]。Nguyen 等發(fā)現(xiàn)溫度能影響土壤DOM淋失的質(zhì)與量,其SUVA值隨著溫度的升高而增大[13]。以上研究均從單一影響因素出發(fā),缺乏人為因素與自然因素相結(jié)合的研究,且對(duì) DOM分子結(jié)構(gòu)對(duì)人為干擾的響應(yīng)尚不明確。

西南喀斯特地貌特殊,生態(tài)環(huán)境脆弱,具有土壤淺薄、植被不連續(xù)等特征[14]。前期研究發(fā)現(xiàn),喀斯特自然生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)等養(yǎng)分含量顯著高于同地區(qū)紅壤,但是一旦轉(zhuǎn)變?yōu)楦?土壤養(yǎng)分含量顯著降低,開(kāi)墾兩年后,土壤有機(jī)質(zhì)丟失率高達(dá)42%,表現(xiàn)出急劇損失特征[15]。然而,以往研究表明喀斯特坡地地表侵蝕過(guò)程并不發(fā)育,且地表徑流系數(shù)普遍小于5%,因而喀斯特地區(qū)養(yǎng)分淋失過(guò)程對(duì)土壤養(yǎng)分損失和土壤退化的貢獻(xiàn)比非喀斯特地區(qū)更為重要[16]。目前,喀斯特地區(qū)土壤DOM淋失研究主要關(guān)注森林生態(tài)系統(tǒng),如曹建華等發(fā)現(xiàn),不同植物凋落物會(huì)產(chǎn)生不同質(zhì)和量的DOC淋失,并導(dǎo)致Ca2+的淋失差異,且土壤DOC濃度呈現(xiàn)與水熱相關(guān)的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)[17-18]。Georg等通過(guò)對(duì)喀斯特區(qū)兩個(gè)森林進(jìn)行13年的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),DON淋失呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征,融雪和全年降雨量是其主要驅(qū)動(dòng)因素[19]。但是,森林與農(nóng)田的養(yǎng)分淋失存在很大的差異,而目前對(duì)喀斯特地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)DOM的研究主要集中在不同剖面DOM差異上,缺乏對(duì)DOM淋失的相關(guān)研究。如汪智軍等通過(guò)對(duì)巖溶區(qū)不同土壤剖面DOM分布研究發(fā)現(xiàn),耕地較其他用地類(lèi)型更易發(fā)生養(yǎng)分淋失[20]。 田麗艷等通過(guò)對(duì)不同巖性的2個(gè)坡地的土壤剖面研究發(fā)現(xiàn),SOC含量隨剖面深度的增加而降低,且SOC 含量坡腳>坡頂大于坡腰[21]。

因此,針對(duì)喀斯特地區(qū)更易產(chǎn)生養(yǎng)分銳減、土壤退化和水體污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,對(duì)其土壤的耕作方式及其DOM遷移淋失的研究顯得尤為迫切。本文基于翻耕模擬試驗(yàn),通過(guò)對(duì)典型喀斯特石灰土DOM及其官能團(tuán)組分淋失動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究,分析淋溶水DOM及其官能團(tuán)組分對(duì)翻耕頻率的響應(yīng),探討DOM及其官能團(tuán)組分淋失的主要影響因素,為深入揭示人為干擾作用下喀斯特土壤養(yǎng)分的快速丟失機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)毛南族自治縣,該區(qū)域?qū)儆谠瀑F高原南部邊緣斜坡地帶的典型喀斯特峰叢洼地,地理坐標(biāo)為107°51′—108°43′E、24°44′—25°33′N(xiāo),屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,雨水充沛、雨熱同季、無(wú)霜期長(zhǎng)。年平均氣溫16.5—20.5℃,多年平均降雨量為1380mm,雨季平均持續(xù)130—140d,本次研究觀測(cè)期降水主要集中在4—9月,尤以6月中旬至7月中旬最多,達(dá)350—460mm,常出現(xiàn)澇災(zāi),10月至次年3月份為旱季,常受到干旱威脅。平均蒸發(fā)量為1570mm,相對(duì)濕度平均為70%。土壤為白云巖發(fā)育而成的石灰土,土壤質(zhì)地為粘壤土,土壤pH值為中性至微堿性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

2013年12月在中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站選取典型坡腳部位建立樣地。該樣地原始植被類(lèi)型為灌木叢,優(yōu)勢(shì)種為三對(duì)節(jié)(Clerodendrumserratum)、八角楓(Alangiumchinense)及千里光 (Senecioscandens)等。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理,分別為：原始對(duì)照(natural vegetation, NV)、免耕對(duì)照(T0)、每6個(gè)月翻耕(T1)、每4個(gè)月翻耕(T2)、每2個(gè)月翻耕(T3)、和每月翻耕(T4)等處理。試驗(yàn)樣地采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),包括4個(gè)區(qū)組,每個(gè)區(qū)組包含6個(gè)規(guī)格為2m×2m的小區(qū),共24個(gè)小區(qū)(圖1)。除NV處理外,其他5個(gè)處理均刈除地上植被,按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行翻耕處理。每個(gè)小區(qū)四周由PVC板隔斷,相鄰兩塊PVC板由焊條焊接。PVC板地下埋深為30cm,以阻隔相鄰小區(qū)土壤側(cè)向的養(yǎng)分流動(dòng);地上出露20cm,以阻斷小區(qū)內(nèi)外和小區(qū)之間地表徑流交換;為了更好的模擬耕作地的覆被環(huán)境,并避免種植玉米所導(dǎo)致的養(yǎng)分吸收及凋落物輸入等復(fù)雜的養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程對(duì)本研究結(jié)果的影響,本試驗(yàn)樣地選用塑料仿真模擬植物,每株仿真植物高1.5m,冠幅約1m2,每小區(qū)栽植4株仿真植物(圖1)。

圖1 小區(qū)分布示意圖及淋溶水收集裝置安放示意圖 Fig.1 Schematic diagram of sampling plot distribution and leaching device

每個(gè)小區(qū)淋溶水樣品通過(guò)淋溶盤(pán)收集[22](圖1),并儲(chǔ)存在深埋地下70cm處的密封盒(1.6L)中。淋溶盤(pán)為不銹鋼質(zhì)地,長(zhǎng)50cm、寬30cm、高5cm。在側(cè)邊靠近盤(pán)底的位置設(shè)出水口,由不銹鋼管頭引流。淋溶盤(pán)中裝填粗石英砂顆粒。為防止石英砂隨淋溶水流出,預(yù)先在盤(pán)底鋪尼龍網(wǎng)。淋溶盤(pán)埋設(shè)深度為30cm。在小區(qū)側(cè)邊于地下30cm處向小區(qū)內(nèi)部埋設(shè)淋溶盤(pán)。淋溶盤(pán)埋設(shè)略呈傾斜狀,內(nèi)高外低,以利于淋溶水順利流出。淋溶盤(pán)裝填完畢后,用開(kāi)挖出的土壤填實(shí)埋設(shè)槽內(nèi)的縫隙。淋溶水由淋溶盤(pán)的出水口流出、經(jīng)由導(dǎo)流管收集至密封盒中。該淋溶水收集裝置布設(shè)好后,回填施工溝。通過(guò)兩根由密封盒延伸至地表之上的硬質(zhì)PU氣管抽提密封盒中的淋溶水。其中一根PU氣管(A)插入密封盒底部,用以抽提,另一根PU氣管(B)的管口高度與盒蓋平齊,用以通氣。采樣時(shí),將氣管A連接真空泵,通過(guò)負(fù)壓將密封收集盒中的淋溶水全部抽出,記錄體積并取部分帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)濾分裝,樣品置于-18℃冰箱進(jìn)行冷凍保存,以備分析。翻耕處理于2014年6月底開(kāi)始實(shí)施,淋溶水采集從2015年8月持續(xù)至2016年7月,每月1次(于每月翻耕當(dāng)日計(jì)算)。氣象數(shù)據(jù)采用環(huán)江站氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)。

1.3 樣品分析與測(cè)定

表1 選用的光譜波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)物特性和生物學(xué)意義

1.4 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 喀斯特石灰土DOC、DON淋失量對(duì)耕作擾動(dòng)頻率的響應(yīng)

表2 不同翻耕頻率處理下可溶性碳、氮及陽(yáng)離子年總淋失量差異比較

NV：原始對(duì)照,natural vegetation;T0：免耕對(duì)照,no-till contrast;T1：每6個(gè)月翻耕,semiannual tillage;T2：每4個(gè)月翻耕,tillage every four months;T3：每2個(gè)月翻耕,bimonthly tillage;T4：每月翻耕,monthly tillage;DOC：可溶性有機(jī)碳,dissolved organic carbon;DON：可溶性有機(jī)氮,dissolved organic nitrogen;DOC/DON:可溶性有機(jī)碳氮比;TDN：可溶性總氮,total dissolved nitrogen;DON/TDN：可溶性有機(jī)氮占總氮百分比;括弧內(nèi)值為標(biāo)準(zhǔn)差;同一行內(nèi)相同字母表示不存在顯著性差異;不同字母表示差異性顯著(P<0.05,n=4)

2.2 喀斯特石灰土DOC、DON淋失量及其官能團(tuán)組分的月變化動(dòng)態(tài)

2.3 DOC、DON淋失量與官能團(tuán)特征指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

DOC淋失量與4個(gè)官能團(tuán)特征參數(shù)都具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),說(shuō)明DOC淋失量較低時(shí),其芳香性、疏水性以及大分子化合物淋失量較大,DOC淋失量較高時(shí),DOM組分中小分子有機(jī)物較多。DON淋失量與4個(gè)官能團(tuán)特征參數(shù)無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明DON的淋失量與芳香性、疏水性官能團(tuán)以及大分子化合物含量無(wú)關(guān),DON的淋失與其他性質(zhì)相關(guān)(圖6)。

2.4 DOC、DON淋失量與Ca2+、Mg2+、TDN及無(wú)機(jī)氮組分淋失量的相關(guān)關(guān)系

3 討論

耕作方式通過(guò)影響土壤物理結(jié)構(gòu)、微生物活性及土壤養(yǎng)分狀況等,進(jìn)一步影響水分運(yùn)動(dòng)和DOM淋失[24-25]。耕作一方面會(huì)使土壤表層通透性提高, 濕度降低,微生物分解活動(dòng)加強(qiáng),從而加快土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)的分解和小分子DOM的產(chǎn)生,導(dǎo)致DOM淋失量增大[26];另一方面耕作導(dǎo)致團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞,從而使閉蓄態(tài)有機(jī)碳、氮礦化丟失,DOM淋失量增大[24]。研究表明, DOC、DON在各耕作擾動(dòng)處理之間都存在顯著差異,且都與耕作擾動(dòng)頻率存在顯著正相關(guān)關(guān)系,但DON與耕作頻率之間的相關(guān)性更明顯(表2)。隨著翻耕頻率的增加,淋溶水DOC/DON逐漸減低,氮淋失量呈上升趨勢(shì)。一般而言,C/N比降低意味著土壤有機(jī)質(zhì)降解加快[21],不利于土壤碳氮固持,增大氮淋失風(fēng)險(xiǎn)[27]。這表明,持續(xù)翻耕會(huì)削弱土壤碳與氮的匯功能,不利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的維持與發(fā)展。

圖2 耕作擾動(dòng)處理下可溶性有機(jī)碳DOC、可溶性有機(jī)氮DON淋失量以及單位吸光度SUVA的月變化動(dòng)態(tài)(n=4)Fig.2 The leaching amount of DOC, DON and unit absorbance SUVA along with the change of time from ploughing treatment (n=4)*表示在0.05水平上存在顯著差異;大寫(xiě)字母表示旱季與雨季之間差異性;相同字母表示不存在顯著性差異;不同字母表示差異性顯著(P<0.05)

圖3 DOC、DON淋失量相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relations between DOC and DON amount in leaching water

圖4 不同形態(tài)氮素淋失比例月變化特征(n=4) Fig.4 The leaching amount of N along with the change of time (n=4)

圖5 DOC、DON淋失量與降雨量及溫度的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Relations between rainfall, temperature and DOC, DON amount in leaching water

圖6 不同月份DOC、DON淋失量與4個(gè)官能團(tuán)指標(biāo)SUVA254、SUVA260、SUVA272和SUVA280的相關(guān)關(guān)系(n=4)Fig.6 Relation between DOC、DON leaching amount and function group parameters of SUVA254, SUVA260, SUVA272, SUVA280 from different month (n=4)SUVA254：254nm單位吸光度;SUVA260：260nm單位吸光度;SUVA272：272nm單位吸光度;SUVA280：280nm單位吸光度

敏感,溫度與濕度的升高導(dǎo)致微生物活性增強(qiáng),土壤SOM分解加速,所以DOC淋失量大。故DOC旱季淋失量>雨季。這與茍小林等[32]對(duì)高山土壤DOC淋溶特征研究的結(jié)果一致。

表3 Ca2+、Mg2+淋失量與碳氮淋失量的Pearson相關(guān)性分析

**表示在0.01水平(雙側(cè))上達(dá)到顯著相關(guān),*表示在0.05水平上顯著相關(guān),n=4

表4 翻耕頻率與季節(jié)變化及其交互作用對(duì)DOC、DON淋失量以及4個(gè)官能團(tuán)指標(biāo)的影響

df表示自由度,F為統(tǒng)計(jì)量,**表示在0.01水平(雙側(cè))上達(dá)到顯著效應(yīng),n=4

4個(gè)官能團(tuán)參數(shù)在不同翻耕頻率下差異不顯著,在監(jiān)測(cè)期內(nèi)表現(xiàn)為初期小、后期大(圖2),主要受季節(jié)變化的影響,各翻耕處理間無(wú)顯著差異(表4)。該結(jié)果表明,隨翻耕頻率的增加土壤DOM淋失量增加但不影響DOM官能團(tuán)特征。DOM中芳香性組分所占比例越大,說(shuō)明所形成化合物越復(fù)雜、分子量越大,并具有更高的穩(wěn)定性,而可溶性有機(jī)物中疏水性部分具有更大的C/N比和芳香性,因此更不易分解、具有更長(zhǎng)的周轉(zhuǎn)周期[23]。4個(gè)官能團(tuán)特征參數(shù)與DOC淋失量都具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6),表明翻耕處理增加了DOC淋失,但其淋失組分仍以小分子物質(zhì)為主,意味著持續(xù)的翻耕可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致土壤SOM穩(wěn)定組分的損失。SUVA主要表征疏水基團(tuán)含量(表1),富碳有機(jī)物含有的疏水基團(tuán)比例高,而富氮有機(jī)化合物所含的親水基團(tuán)比例高,所以DON與SUVA無(wú)緊密關(guān)系(圖6)。但考慮到高頻率的翻耕處理仍以小分子DOM淋失為主,同時(shí)隨著處理實(shí)施時(shí)間的延長(zhǎng),DON淋失量和DON/TDN逐漸增加,意味著進(jìn)入水體的DOM容易分解礦化,持續(xù)的耕作干擾將大大增加水體N素污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

喀斯特石灰土DOC、DON的淋失均受到翻耕頻率、季節(jié)變化及其交互作用的影響,DOC、DON及DON/TDN均隨翻耕頻率的增加而增加。在觀測(cè)期內(nèi),DOC與DON表現(xiàn)出截然不同的淋失特征,DOC在監(jiān)測(cè)初期淋失量大、后期小,DON表現(xiàn)為監(jiān)測(cè)初期淋失量小、后期大。DON對(duì)耕作頻率的變化更為敏感。少耕和免耕有利于減少DOM的淋失,尤其在干旱交替之際,應(yīng)盡量避免耕作擾動(dòng),防止DOM的淋失。淋溶水DOM的芳香性、疏水性等大分子量組分不受翻耕頻率的影響,但受季節(jié)變化影響,分子量小且芳香性低的DOM更容易淋失。以上結(jié)果表明耕作擾動(dòng)會(huì)加劇土壤DOM淋失,但淋失組分中穩(wěn)定性組分沒(méi)有變化,意味著耕作干擾會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的持續(xù)損失,且由于其淋失組分碳氮比(DOC/DON)隨擾動(dòng)頻率增加而降低,DON/TDN比隨擾動(dòng)頻率增加而增加,持續(xù)的耕作干擾將大大增加水體氮素污染風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),本文所獲得DOC、DON及其官能團(tuán)組成變化動(dòng)態(tài)對(duì)于了解耕作過(guò)程中土壤碳庫(kù)變化的機(jī)理和過(guò)程也具有一定的支撐作用。